抽油機(jī)應(yīng)用永磁變頻電動(dòng)機(jī)節(jié)能效果分析

郭士英（大慶頭臺(tái)油田開發(fā)有限責(zé)任公司）

為保證原油持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)，油田在“十四五”期間預(yù)計(jì)年均增加機(jī)采井?dāng)?shù)2 290 口，機(jī)采井年耗電量增加1.42×108kWh。機(jī)采能耗總量控制將隨著開發(fā)規(guī)模不斷增大變得更加困難，機(jī)采井能耗控制形勢(shì)嚴(yán)峻[1]。

電動(dòng)機(jī)是石油生產(chǎn)的主要?jiǎng)恿?，也油田主要用電設(shè)備，其耗電量約占原油生產(chǎn)總耗電量的80%左右。大慶油田常規(guī)抽油機(jī)數(shù)量較多，其中絕大多數(shù)采用普通三相異步電動(dòng)機(jī)，Y 系列電動(dòng)機(jī)較多，能耗高[2]。因此，電動(dòng)機(jī)節(jié)能是油田節(jié)電的主要領(lǐng)域，運(yùn)用先進(jìn)的節(jié)能技術(shù)及措施提高抽油機(jī)井的系統(tǒng)效率，降低能耗，對(duì)挖掘其節(jié)能潛力、創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益，提高能效管理水平有很大意義。

1 油田電動(dòng)機(jī)應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 部分淘汰設(shè)備在用

2009年12 月，工業(yè)和信息化部發(fā)布《高耗能落后機(jī)電設(shè)備（產(chǎn)品）淘汰目錄（第一批）》公告， 2012年、2014年和2016年又相繼發(fā)布了第二、三、四批淘汰目錄，見表1。

表1 中小型三相異步電動(dòng)機(jī)淘汰型號(hào)與淘汰日期

目前油田采油井總數(shù)為74 801 口，其中抽油機(jī)井占總井?dāng)?shù)的81.8%（老區(qū)50.5%，外圍31.3%）；螺桿泵井和電泵井分別占10%和1.5%。通過對(duì)9 178 口機(jī)采井進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，在現(xiàn)場(chǎng)檢查過程中發(fā)現(xiàn)，有934 臺(tái)在用電動(dòng)機(jī)為淘汰設(shè)備，占監(jiān)測(cè)總量的10.18%，說明目前仍有一定數(shù)量的淘汰電動(dòng)機(jī)在用。為提高設(shè)備運(yùn)行效率，降低油田生產(chǎn)能耗，實(shí)現(xiàn)提質(zhì)增效，必須對(duì)高耗能落后機(jī)電設(shè)備進(jìn)行淘汰更新。

1.2 電動(dòng)機(jī)負(fù)載率低

游梁式抽油機(jī)是四連桿機(jī)構(gòu)，啟動(dòng)時(shí)靜載力矩較大，正常工作時(shí)驢頭懸點(diǎn)載荷特性是交變的[3]。電動(dòng)機(jī)的電流、功率、功率因數(shù)隨著抽油桿上下沖程的變化而變化，為了克服啟動(dòng)時(shí)負(fù)載的靜載力矩，對(duì)于普通的Y 系列電動(dòng)機(jī)只能加大容量，造成抽油機(jī)運(yùn)行過程中“大馬拉小車”現(xiàn)象[4]。目前抽油機(jī)井電動(dòng)機(jī)負(fù)載率是最低的，通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)可知，抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)平均負(fù)載率小于30%，油田機(jī)采井電動(dòng)機(jī)功率利用率情況見表2，運(yùn)行效率低于80%，“大馬拉小車”現(xiàn)象較普遍，降低了配電線路的功率因數(shù)，配電線路網(wǎng)損增大[5]。

表2 油田機(jī)采井電動(dòng)機(jī)功率利用率情況

通過對(duì)油田在用電動(dòng)機(jī)情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，機(jī)采系統(tǒng)在用Y 系列電動(dòng)機(jī)數(shù)量占其在用電動(dòng)機(jī)總量的37.15%，普通異步電動(dòng)機(jī)容量不能根據(jù)油井工況進(jìn)行調(diào)整，在低負(fù)載情況下效率更低，能耗量高[6]。

2 永磁變頻電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用

2.1 技術(shù)特點(diǎn)

永磁電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)和普通的三相異步電動(dòng)機(jī)一樣，都是由定子、轉(zhuǎn)子、機(jī)殼、冷卻系統(tǒng)等組成[7]。但是永磁電動(dòng)機(jī)有其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，在轉(zhuǎn)子上放有永磁體磁極。永磁變頻電動(dòng)機(jī)具有以下特點(diǎn)，永磁變頻電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 永磁變頻電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖

2.1.1 效率高、更加省電

由于永磁同步電動(dòng)機(jī)的磁場(chǎng)是由永磁體產(chǎn)生的，轉(zhuǎn)子沒有鋁耗，其在輕載時(shí)效率值要比普通三相異步電動(dòng)機(jī)高很多永磁變頻電動(dòng)機(jī)與異步電動(dòng)機(jī)效能對(duì)比見圖2。同時(shí)永磁電動(dòng)機(jī)參數(shù)不受電動(dòng)機(jī)極數(shù)的影響，因此便于設(shè)計(jì)成多極電動(dòng)機(jī)，可以做成直接用永磁同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的直驅(qū)系統(tǒng)，提高了傳動(dòng)效率[8]。

圖2 永磁變頻電動(dòng)機(jī)與異步電動(dòng)機(jī)效能對(duì)比

2.1.2 功率因數(shù)高

永磁同步電動(dòng)機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)，其功率因數(shù)可以調(diào)節(jié)，甚至可以設(shè)計(jì)成功率因數(shù)等于1，且與電動(dòng)機(jī)極數(shù)無關(guān)，永磁變頻電動(dòng)機(jī)與異步電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)對(duì)比見圖3。

圖3 永磁變頻電動(dòng)機(jī)與異步電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)對(duì)比

2.1.3 啟動(dòng)力矩大、噪音小、溫升低

永磁同步電動(dòng)機(jī)在低頻的時(shí)候仍能保持良好的工作狀態(tài)，低頻時(shí)的輸出力矩較異步電動(dòng)機(jī)大，運(yùn)行時(shí)的噪音小[9]；轉(zhuǎn)子無電阻損耗，定子繞組幾乎不存在無功電流，因而電動(dòng)機(jī)溫升低，同體積、同重量的永磁電動(dòng)機(jī)功率可提高30%左右[10]。隨著電動(dòng)機(jī)效率的增高，相應(yīng)地?fù)p耗降低，電動(dòng)機(jī)溫升減小，在采用相同絕緣等級(jí)的情況下，電動(dòng)機(jī)的體積可以設(shè)計(jì)的更??；電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的靈活性，可以省去電動(dòng)機(jī)內(nèi)許多無效部分，如繞組端部，轉(zhuǎn)子端環(huán)等，相應(yīng)體積可以更小。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2019年，在采油三廠對(duì)4 臺(tái)安裝永磁變頻電動(dòng)機(jī)的抽油機(jī)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)節(jié)能效果測(cè)試，通過對(duì)其改造前后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)比對(duì)測(cè)試，安裝永磁變頻電動(dòng)機(jī)后平均有功節(jié)電率為12.88%，無功節(jié)電率為58.47%，綜合節(jié)電率為14.89%，系統(tǒng)效率平均提高了4.53%，取得了較好的節(jié)能效果，永磁變頻電動(dòng)機(jī)應(yīng)用節(jié)能效果對(duì)比見表3。

表3 永磁變頻電動(dòng)機(jī)應(yīng)用節(jié)能效果對(duì)比

3 結(jié)論

通過對(duì)永磁變頻電動(dòng)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用效果來看，可以得出以下結(jié)論：

1）對(duì)于目前抽油機(jī)井負(fù)載率較低及不恒定的情況，應(yīng)用永磁變頻電動(dòng)機(jī)可以實(shí)現(xiàn)調(diào)頻改動(dòng)電動(dòng)機(jī)功率，很好地匹配電動(dòng)機(jī)輸出功率，輕載情況下保持較高效率。

2）應(yīng)用永磁變頻電動(dòng)機(jī)后，抽油機(jī)井實(shí)現(xiàn)了降低抽油機(jī)有功及無功單耗，提高了系統(tǒng)效率，節(jié)能效果顯著。

3）有效提高電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)，降低電動(dòng)機(jī)電流、定子銅耗及配套變壓器等容量，同時(shí)可降低其他輔助配套設(shè)施規(guī)格，相應(yīng)系統(tǒng)成本更低。